一种变频器的控制方法、设备和系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种变频器的控制方法、设备和系统，检测变频器的逆变侧输出的三相电压和三相电流；获得变频器当前的功率因数，根据直流母线电流来调节当前的功率因数到目标功率因数；根据目标功率因数和给定转矩电流确定励磁给定电流的大小，励磁给定电流和给定转矩电流确定目标电压，根据三相电流的正负状态选择PWM发波器的发波状态，根据目标电压从已经选择出的发波状态中确定至少三种发波状态来控制逆变器中开关器件的开关状态，使逆变器输出的三相电压合成目标电压，目标电压使逆变侧没有能量回馈到直流母线。使得直流母线电流始终为正，能量从电网经过整流侧提供给逆变侧，减小直流母线电容上充放电的能量，减小直流母线电容的容量。
【专利说明】一种变频器的控制方法、设备和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力电子【技术领域】，特别涉及一种变频器的控制方法、设备和系统。
【背景技术】
[0002]变频器广泛应用于电机调速，常用的变频器的拓扑结构可以参见图1所示。
[0003]变频器主要包括整流器100、直流母线电容Cdc和逆变器200 ；
[0004]其中输入电压Vin经过整流器100整流后变为直流电压Vdc，直流母线电容Cdc的一端连接在正母线上，另一端连接在负母线上。
[0005]逆变器200将直流电压Vdc逆变为交流电压Vout进行输出。逆变器200包括六个开关器件Q1-Q6 ；
[0006]逆变器200 —般采用SVPWM发波或SPWM发波控制其中的开关器件的开关状态，直流母线电流Idc在某些发波状态时为正，在某些发波状态时为负，这样Cdc被反复充放电。例如，当Idc为正时，能量从直流母线经过逆变器200输出到Vout侧；当Idc为负时，Vout经过逆变器200回馈到母线侧。
[0007]如果Cdc的容量太小，当能量回馈到母线后，母线电压会被充得较高，如果母线电压太高将会导致Cdc和开关器件损坏。
[0008]为了解决直流母线电容以上存在的问题，现有技术中通常有以下两种方式。
[0009]第一种方式是:直流母线上必须安装容量较大的Cdc，一般采用电解电容。
[0010]但是，Cdc容量较大时，对应的体积较大，成本高，并且散热处理比较困难。同时，电解电容的寿命较短需要定期更换。
[0011]第二种方式是:采用可回馈能量的整流器，参见图2，该图为现有技术中的没有直流母线电容的变频器拓扑图。
[0012]图2提供的方式是将整流侧的二极管替换为全控型开关器件(例如IGBT)，当Idc为负时，能量回馈到直流母线后，立刻通过控制整流侧(T1-T6)将能量回馈到电网。这样能量就不会停留在母线上，而能够直接回馈到电网，因此，不需要安装直流母线电容。同样，当Idc为正时，能量从电网经过整流侧到直流母线，然后经过逆变侧提供给负载。
[0013]但是，图2的方式虽然可以省去直流母线电容，但是需要将整流侧的二极管替换为全控型开关器件，同时在输入侧需要增加LC滤波器，整个变频器的成本升高、拓扑结果和控制变得更复杂。
[0014]综上，本领域技术人员需要提供一种变频器的控制方法，能够在不改变变频器拓扑的情况下，可以减小直流母线电容的容量。
【发明内容】
[0015]本发明实施例提供一种变频器的控制方法、设备和系统，能够在不改变变频器拓扑的情况下，可以减小直流母线电容的容量。
[0016]第一方面，提供一种变频器的控制方法，包括:[0017]检测变频器的逆变侧输出的三相电压和三相电流Ia、Ib和I。；
[0018]由所述三相电压和三相电流获得变频器当前的功率因数，根据直流母线电流来调节所述当前的功率因数到目标功率因数；
[0019]根据所述目标功率因数和给定转矩电流确定励磁给定电流的大小，所述励磁给定电流和所述给定转矩电流确定目标电压，所述给定转矩电流为给定的已知量；
[0020]根据所述三相电流Ia、Ib和I。的正负状态选择PWM发波器的发波状态，根据所述目标电压从已经选择出的发波状态中确定至少三种发波状态来控制逆变器中开关器件的开关状态，使所述逆变器输出的三相电压合成所述目标电压，所述目标电压使逆变侧没有能量回馈到直流母线。
[0021]在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述根据所述三相电流Ia、Ib和I。的正负状态选择PWM发波器的发波状态，具体为:
[0022]当所述三相电流Ia、Ib和I。的正负状态为:Ia为正、Ib为负和I。为负时，选择PWM发波器发出的控制逆变器三个上管的发波状态为以下五种状态:开、关、开，开、关、关，开、开、关，开、开、开，关、关、关，控制下管的发波状态与控制上管的互补；
[0023]当所述三相电流Ia、Ib和I。的正负状态为:Ia为正、Ib为正和I。为负时，选择PWM发波器发出的控制逆变器三个上管的发波状态为以下五种状态:开、关、关，开、开、关，关、开、关，开、开、开，关、关、关，控制下管的发波状态与控制上管的互补；
[0024]当所述三相电流Ia、Ib和Ic的正负状态为:Ia为负、Ib为正和I。为负时，选择PWM发波器发出的控制逆变器三个上管的发波状态为以下五种状态:开、开、关，关、开、关，关、开、开，开、开、开，关、关、关，控制下管的发波状态与控制上管的互补；
[0025]当所述三相电流Ia、Ib和Ic的正负状态为:Ia为负、Ib为正和I。为正时，选择PWM发波器发出的控制逆变器三个上管的发波状态为以下五种状态:关、开、关，关、开、开，关、关、开，开、开、开，关、关、关，控制下管的发波状态与控制上管的互补；
[0026]当所述三相电流Ia、Ib和I。的正负状态为:Ia为负、Ib为负和I。为正时，选择PWM发波器发出的控制逆变器三个上管的发波状态为以下五种状态:关、开、开，关、关、开，开、关、开，开、开、开，关、关、关，控制下管的发波状态与控制上管的互补；
[0027]当所述三相电流Ia、Ib和I。的正负状态为:Ia为正、Ib为负和I。为正时，选择PWM发波器发出的控制逆变器三个上管的发波状态为以下五种状态:关、关、开，开、关、开，开、关、关，开、开、开，关、关、关；控制下管的发波状态与控制上管的互补。
[0028]结合第一方面及上述任一种可能的实现方式中，在第二种可能的实现方式中，根据直流母线电流来调节所述当前的功率因数到目标功率因数，具体为:
[0029]如果所述直流母线电流为正，则控制所述当前的功率因数开始减小到最大转矩电流对应的功率因数；
[0030]如果所述直流母线电流为负，则控制所述当前的功率因数停止减小，开始增大到直流母线电流为正为止。
[0031]结合第一方面及上述任一种可能的实现方式中，在第三种可能的实现方式中，还包括:检测直流母线电压和直流母线电流；
[0032]当所述直流母线电压超过预设阈值，和/或，当所述直流母线电流为负，控制所述PWM发波器停止发出PWM波。[0033]第二方面，提供一种变频器的控制设备，包括:检测单元、功率因数控制单元、励磁电流给定单元、目标电压确定单元、开关状态选择单元和开关状态确定单元；
[0034]所述检测单元，用于检测变频器的逆变侧输出的三相电压和三相电流Ia、Ib和I。；
[0035]所述功率因数控制单元，用于由所述三相电压和三相电流获得变频器当前的功率因数，根据直流母线电流来调节所述当前的功率因数到目标功率因数；
[0036]所述励磁电流给定单元，用于根据所述目标功率因数和给定转矩电流确定励磁给定电流的大小；
[0037]所述目标电压确定单元，用于由所述励磁给定电流和所述给定转矩电流确定目标电压，所述给定转矩电流为给定的已知量；所述开关状态选择单元，用于根据所述三相电流Ia> Ib和I。的正负状态选择PWM发波器的发波状态；
[0038]所述开关状态确定单元，用于根据所述目标电压从已经选择出的发波状态中确定至少三种发波状态来控制逆变器中开关器件的开关状态，使所述逆变器输出的三相电压合成所述目标电压，所述目标电压使逆变侧没有能量回馈到直流母线。
[0039]在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述功率因数控制单元包括:直流母线电流判断子单元和功率因数控制子单元；
[0040]所述直流母线电流判断子单元，用于判断直流母线电流的正负，将判断结果发送给所述功率因数控制子单元；
[0041]所述功率因数控制子单元，用于当所述直流母线电流判断子单元判断直流母线电流为正时，控制所述当前的功率因数开始减小到最大转矩电流对应的功率因数，当所述直流母线电流判断子单元判断直流母线电流为负时，控制所述当前的功率因数停止减小，开始增大到直流母线电流为正为止。
[0042]结合第二方面及上述任一种可能的实现方式中，在第二种可能的实现方式中，还包括:直流母线电压判断单元和保护单元；
[0043]所述直流母线电压判断单元，用于判断所述直流母线电压超过预设阈值时，发送电压保护信号给所述保护单元；
[0044]所述直流母线电流判断子单元，用于判断所述直流母线电流为负时，发送电流保护信号给所述保护单元；
[0045]所述保护单元，用于在收到所述电压保护信号和/或电流保护信号时，控制所述PWM发波器停止发出PWM波。
[0046]第三方面，提供一种变频器的控制系统，包括:整流器、逆变器、直流母线、控制器和PWM发波器；
[0047]所述整流器，用于将交流电整流为直流电后输出给所述逆变器；
[0048]所述逆变器，用于将所述直流电逆变为交流电后给负载供电；
[0049]所述整流器和逆变器之间为直流母线；
[0050]所述控制器，用于由所述三相电压和三相电流获得变频器当前的功率因数，根据直流母线电流来调节所述当前的功率因数到目标功率因数；，根据所述目标功率因数和给定转矩电流确定励磁给定电流的大小，所述励磁给定电流和所述给定转矩电流确定目标电压，根据所述三相电流Ia、Ib和I。的正负状态选择PWM发波器的发波状态，根据所述目标电压从已经选择出的发波状态中确定至少三种发波状态来控制逆变器中开关器件的开关状态，使所述逆变器输出的三相电压合成所述目标电压；所述目标电压使逆变侧没有能量回馈到直流母线。
[0051]在第三方面的第一种可能的实现方式中，所述控制器，用于根据直流母线电流以及逆变侧输出的三相电压和所述三相电流控制目标功率因数，具体为:如果所述直流母线电流为正，则控制所述当前的功率因数开始减小到最大转矩电流对应的功率因数，如果所述直流母线电流为负，则控制所述当前的功率因数停止减小，开始增大到直流母线电流为正为止。
[0052]结合第三方面及上述任一种可能的实现方式中，在第二种可能的实现方式中，所述控制器，还用于当所述直流母线电压超过预设阈值，和/或，当所述直流母线电流为负，控制所述PWM发波器停止发出PWM波。
[0053]结合第三方面及上述任一种可能的实现方式中，在第三种可能的实现方式中，所述负载为永磁同步电机，所述永磁同步电机处于电动状态。
[0054]以上技术方案，可以在不改变变频器拓扑的情况下，通过控制方法使得直流母线电流始终为正，能量从电网经过整流侧直接提供给逆变侧，逆变侧没有能量回馈到直流母线，因此可以减小直流母线电容上充放电的能量(电流)，从而可以减小直流母线电容的容量，甚至可以省掉直流母线电容，进而降低了变频器的成本，提高了变频器的工作可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0055]图1是现有技术中的一种带有直流母线电容的变频器拓扑示意图；
[0056]图2是现有技术中没有直流母线电容的变频器拓扑示意图；
[0057]图3是本发明提供的变频器的负载为永磁同步电机的示意图；
[0058]图4是本发明提供的变频器的控制方法实施例一流程图；
[0059]图5a_5e是五种开关状态对应的五种导通状态图；
[0060]图6是本发明提供的变频器的控制方法实施例二流程图；
[0061]图7是本发明提供的控制方法的控制框图；
[0062]图8是本发明提供的另一种控制方法的控制框图；
[0063]图9是本发明提供的变频器的控制设备实施例一示意图；
[0064]图10是本发明提供的变频器的控制设备实施例二示意图；
[0065]图11是本发明提供的变频器的控制设备实施例三示意图；
[0066]图12是本发明提供的变频器的控制系统实施例一示意图。
【具体实施方式】
[0067]首先对本发明实施例实现一种变频器的控制方法进行说明，包括:
[0068]检测变频器的逆变侧输出的三相电流Ia、Ib和I。；
[0069]根据直流母线电流以及逆变侧输出的三相电压和所述三相电流控制目标功率因数，根据所述目标功率因数和给定转矩电流确定励磁给定电流的大小；所述励磁给定电流和所述给定转矩电流确定所述目标电压；
[0070]根据所述三相电流Ia、Ib和I。的正负状态选择PWM发波器的发波状态，根据所述目标电压从已经选择出的发波状态中确定至少三种发波状态来合成所述目标电压；所述目标电压使逆变侧没有能量回馈到直流母线。
[0071]需要说明的是，变频器的负载可以为永磁同步电机，例如直流变频压缩机和变频风机等内部均嵌有永磁同步电机。参见图3，该图为本发明提供的变频器的负载为永磁同步电机的示意图。
[0072]交流电Vin通过整流器整流为直流电压Vdc，然后Vdc经过逆变器逆变为交流电Vout,再驱动永磁同步电机M。
[0073]可以理解的是，变频器的负载也可以为其他功率因数较高(接近I)并且不能回馈能量的负载，例如纯阻性负载、阻感负载、阻容负载，对于不能回馈能量的负载，其功率因数不可控制，因此控制起来比负载为永磁同步电机更简单，下面以变频器的负载为永磁同步电机为例进行介绍。当然，控制永磁同步电机的控制方法同样适用于其他类别的负载，其基本原理相同，区别点后续介绍。
[0074]方法实施例一:
[0075]参见图4，该图为本发明提供的变频器的控制方法实施例一流程图。
[0076]S401:检测变频器的逆变侧输出的三相电压和三相电流Ia、Ib和Ic ；
[0077]由于逆变侧输出的三相电流的状态不同，对应的PWM发波器的发波状态不同，因此需要检测二相电流的状态。
[0078]由于三相电流不可能全为正，也不可能全为负，因此，三相电流Ia、Ib和I。的组合状态一共有以下六种:
[0079]正、负、负；
[0080]正、正、负；
[0081]负、正、负；
[0082]负、正、正；
[0083]负、负、正；
[0084]正、负、正。
[0085]S402:由所述三相电压和三相电流获得变频器当前的功率因数，根据直流母线电流来调节所述当前的功率因数到目标功率因数；根据所述目标功率因数和给定转矩电流确定励磁给定电流的大小；所述励磁给定电流和所述给定转矩电流确定所述目标电压；
[0086]可以理解的是，由逆变侧输出的三相电压和三相电流可以得到变频器当前的功率因数。即调节功率因数的起点是当前的功率因数。再根据直流母线电流从当前的功率因数开始调整，调整后的功率因数便是目标功率因数。
[0087]例如，根据三相电压和三相电流得到当前的功率因数是0.9，而直流母线电流为负，则调节功率因数从0.9开始增大，但是功率因数不能超过1，最大值为I。如果功率因数调节到I 了，直流母线电流还是为负，则不会再增加功率因数，如果功率因数没有到I时直流母线电流已经为正了，则停止调节。
[0088]需要说明的是，直流母线电流可以根据逆变侧输出的三相电流和PWM发波器发出的PWM发波状态来推算，也可以直接检测得到。
[0089]目标功率因数可以由直流母线电流，逆变侧输出的三相电压和三相电流来确定。
[0090]由目标功率因数和给定转矩电流可以确定励磁给定电流，这个是电机控制中的现有技术。[0091]可以理解的是，给定转矩电流为已知量。
[0092]由励磁给定电流和给定转矩电流可以确定目标电压Varef, Vbref, Vcref。
[0093]S403:根据所述三相电流、、、和I。的正负状态选择PWM发波器的发波状态，根据所述目标电压从已经选择出的发波状态中确定至少三种发波状态来控制逆变器中开关器件的开关状态，使所述逆变器输出的三相电压合成所述目标电压；所述目标电压使逆变侧没有能量回馈到直流母线。
[0094]对于PWM发波器来说，目标电压是已知的，三相目标电压分别为Varef, Vbref,Vcref0
[0095]由于在逆变器中，同一个桥臂上的上管和下管的开关状态正好相反，例如，对于A相桥臂来说，上管Ql为导通时，对应的下管Q2为关断。因此，为了方便描述，以逆变器中三个上管为例进行描述，三个下管的状态与三个上管的状态相反，在此不再具体介绍。
[0096]表1
【权利要求】
1.一种变频器的控制方法，其特征在于，包括: 检测变频器的逆变侧输出的三相电压和三相电流Ia、Ib和I。; 由所述三相电压和三相电流获得变频器当前的功率因数，根据直流母线电流来调节所述当前的功率因数到目标功率因数； 根据所述目标功率因数和给定转矩电流确定励磁给定电流的大小，所述励磁给定电流和所述给定转矩电流确定目标电压，所述给定转矩电流为给定的已知量； 根据所述三相电流Ia、Ib和I。的正负状态选择PWM发波器的发波状态，根据所述目标电压从已经选择出的发波状态中确定至少三种发波状态来控制逆变器中开关器件的开关状态，使所述逆变器输出的三相电压合成所述目标电压，所述目标电压使逆变侧没有能量回馈到直流母线。
2.根据权利要求1所述的变频器的控制方法，其特征在于，所述根据所述三相电流Ia、Ib和I。的正负状态选择PWM发波器的发波状态，具体为: 当所述三相电流Ia、Ib和I。的正负状态为=Ia为正、Ib为负和I。为负时，选择PWM发波器发出的控制逆变器三个上管的发波状态为以下五种状态:开、关、开，开、关、关，开、开、关，开、开、开，关、关、关，控制下管的发波状态与控制上管的互补； 当所述三相电流Ia、Ib和I。的正负状态为=Ia为正、Ib为正和I。为负时，选择PWM发波器发出的控制逆变器三个上管的发波状态为以下五种状态:开、关、关，开、开、关，关、开、关，开、开、开，关、关、关，控制下管的发波状态与控制上管的互补； 当所述三相电流Ia、Ib和I。的正负状态为=Ia为负、Ib为正和I。为负时，选择PWM发波器发出的控制逆变器三个上管的发波状态为以下五种状态:开、开、关，关、开、关，关、开、开，开、开、开，关、关、关，控制下管的发波状态与控制上管的互补； 当所述三相电流Ia、Ib和I。的正负状态为=Ia为负、Ib为正和I。为正时，选择PWM发波器发出的控制逆变器三个上管的发波状态为以下五种状态:关、开、关，关、开、开，关、关、开，开、开、开，关、关、关，控制下管的发波状态与控制上管的互补； 当所述三相电流Ia、Ib和I。的正负状态为=Ia为负、Ib为负和I。为正时，选择PWM发波器发出的控制逆变器三个上管的发波状态为以下五种状态:关、开、开，关、关、开，开、关、开，开、开、开，关、关、关，控制下管的发波状态与控制上管的互补； 当所述三相电流Ia、Ib和I。的正负状态为=Ia为正、Ib为负和I。为正时，选择PWM发波器发出的控制逆变器三个上管的发波状态为以下五种状态:关、关、开，开、关、开，开、关、关，开、开、开，关、关、关；控制下管的发波状态与控制上管的互补。
3.根据权利要求1或2所述的变频器的控制方法，其特征在于，根据直流母线电流来调节所述当前的功率因数到目标功率因数，具体为: 如果所述直流母线电流为正，则控制所述当前的功率因数开始减小到最大转矩电流对应的功率因数； 如果所述直流母线电流为负，则控制所述当前的功率因数停止减小，开始增大到直流母线电流为正为止。
4.根据权利要求3所述的变频器的控制方法，其特征在于，还包括:检测直流母线电压和直流母线电流； 当所述直流母线电压超过预设阈值，和/或，当所述直流母线电流为负，控制所述PWM发波器停止发出PWM波。
5.一种变频器的控制设备，其特征在于，包括:检测单元、功率因数控制单元、励磁电流给定单元、目标电压确定单元、开关状态选择单元和开关状态确定单元； 所述检测单元，用于检测变频器的逆变侧输出的三相电压和三相电流Ia、Ib和I。； 所述功率因数控制单元，用于由所述三相电压和三相电流获得变频器当前的功率因数，根据直流母线电流来调节所述当前的功率因数到目标功率因数； 所述励磁电流给定单元，用于根据所述目标功率因数和给定转矩电流确定励磁给定电流的大小； 所述目标电压确定单元，用于由所述励磁给定电流和所述给定转矩电流确定目标电压，所述给定转矩电流为给定的已知量；所述开关状态选择单元，用于根据所述三相电流Ia> Ib和I。的正负状态选择PWM发波器的发波状态； 所述开关状态确定单元，用于根据所述目标电压从已经选择出的发波状态中确定至少三种发波状态来控制逆变器中开关器件的开关状态，使所述逆变器输出的三相电压合成所述目标电压，所述目标电压使逆变侧没有能量回馈到直流母线。
6.根据权利要求5所述的变频器的控制设备，其特征在于，所述功率因数控制单元包括:直流母线电流判断子单元和功率因数控制子单元； 所述直流母线电流判断子单元，用于判断直流母线电流的正负，将判断结果发送给所述功率因数控制子单元； 所述功率因数控制子单元，用于当所述直流母线电流判断子单元判断直流母线电流为正时，控制所述当前的功率因数开始减小到最大转矩电流对应的功率因数，当所述直流母线电流判断子单元判断直流母线电流为负时，控制所述当前的功率因数停止减小，开始增大到直流母线电流为正为止。
7.根据权利要求5或6所述的变频器的控制设备，其特征在于，还包括:直流母线电压判断单元和保护单元； 所述直流母线电压判断单元，用于判断所述直流母线电压超过预设阈值时，发送电压保护信号给所述保护单元； 所述直流母线电流判断子单元，用于判断所述直流母线电流为负时，发送电流保护信号给所述保护单元； 所述保护单元，用于在收到所述电压保护信号和/或电流保护信号时，控制所述PWM发波器停止发出PWM波。
8.一种变频器的控制系统，其特征在于，包括:整流器、逆变器、直流母线、控制器和PWM发波器； 所述整流器，用于将交流电整流为直流电后输出给所述逆变器； 所述逆变器，用于将所述直流电逆变为交流电后给负载供电； 所述整流器和逆变器之间为直流母线； 所述控制器，用于由所述三相电压和三相电流获得变频器当前的功率因数，根据直流母线电流来调节所述当前的功率因数到目标功率因数；，根据所述目标功率因数和给定转矩电流确定励磁给定电流的大小，所述励磁给定电流和所述给定转矩电流确定目标电压，根据所述三相电流Ia、Ib和I。的正负状态选择PWM发波器的发波状态，根据所述目标电压从已经选择出的发波状态中确定至少三种发波状态来控制逆变器中开关器件的开关状态，使所述逆变器输出的三相电压合成所述目标电压；所述目标电压使逆变侧没有能量回馈到直流母线。
9.根据权利要求8所述的变频器的控制系统，其特征在于，所述控制器，用于根据直流母线电流以及逆变侧输出的三相电压和所述三相电流控制目标功率因数，具体为:如果所述直流母线电流为正，则控制所述当前的功率因数开始减小到最大转矩电流对应的功率因数，如果所述直流母线电流为负，则控制所述当前的功率因数停止减小，开始增大到直流母线电流为正为止。
10.根据权利要求8所述的变频器的控制系统，其特征在于，所述控制器，还用于当所述直流母线电压超过预设阈值，和/或，当所述直流母线电流为负，控制所述PWM发波器停止发出PWM波。
11.根据权利要求8-10任一项所述的变频器的控制系统，其特征在于，所述负载为永磁同步电机，所述永磁同步电机处于电动状态。
【文档编号】H02M5/458GK103944409SQ201410155047
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月17日 优先权日:2014年4月17日
【发明者】唐杰, 裔杰 申请人:华为技术有限公司